雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔裝置制造方法
【專利摘要】一種雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔裝置，它包括外框、終端執(zhí)行機構固定架和末端執(zhí)行器，其特征是所述的外框的四角連接有外升降腿；所述的終端執(zhí)行機構固定架的兩側分別與外框上的X向滑塊相連，終端執(zhí)行機構固定架的一側還與懸置于外框上的外框連接板相連，外框連接板上安裝有X向絲杠螺母，X向絲杠旋裝在所述的X向絲杠螺母中并與安裝在外框上的X向驅動電機相連；所述的終端執(zhí)行機構固定架上安裝有Y向電機，Y向電機與Y向絲杠相連，Y向絲杠螺母安裝在懸置于終端執(zhí)行機構固定架上，末端執(zhí)行器安裝板Y向滑塊相連，Y向滑塊安裝在Y向導軌）上。本發(fā)明實現了雙向移動且重量輕、電機少、控制簡單，成本低。
【專利說明】雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機械加工裝置，尤其是一種用于飛機裝配過程中在飛機蒙皮表面二維移動、定位、調姿的雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔機構，可作為飛機機身裝配中制孔、緊固件安裝系統(tǒng)、甚至鉚接的運載移動平臺，具體地說是一種結構質量輕，成本低，控制簡單的雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔裝置。
【背景技術】
[0002]眾所周知，機械連接是飛機結構采用的主要連接方法，一架大型飛機上大約有150萬?200萬個鉚釘和螺栓，為了滿足現代飛機高壽命的要求，首先要保證機械連接的安全性和可靠性。近年來，為保證飛機裝配質量，提高機體的疲勞壽命，并實現大批量生產的低成本和高效率，以B787，A380等為代表的現代新型大型飛機裝配過程中大量采用了自動化裝配技術。飛機自動化裝配系統(tǒng)的發(fā)展主要為兩個方向。一種是成本較高的、適用于批量較大產品的大型專用自動化裝配系統(tǒng)，如MPAC、VPAC等。另一種是成本較低的、適用于批量較小產品的輕型自動化裝配系統(tǒng)，該種系統(tǒng)的發(fā)展方向為輕型化、柔性化、模塊化，目前其典型代表有基于工業(yè)機器臂自動裝配系統(tǒng)、柔性軌道自動化裝配系統(tǒng)、爬行機器人裝配系統(tǒng)等。
[0003]基于工業(yè)機器臂自動裝配系統(tǒng)是利用目前成熟的工業(yè)機器臂為設備基體，配合相應功能組合的末端執(zhí)行器組成自動化裝配系統(tǒng)。其具有基體結構成熟，集成實現較為容易，工作靈活等優(yōu)點，但存在活動范圍較小、結構較大和可移動性差等缺點。
[0004]基于柔性軌道的自動化裝配系統(tǒng)，則是以柔性軌道為平臺，吸附在表面上，配上相應的末端執(zhí)行器，完成自動化制孔等工作，如波音公司申請的中國發(fā)明專利CN200580025525.X所公開的柔性軌道多軸工具機及方法。但是，這種基于柔性軌道的自動化裝配系統(tǒng)存在結構較大和裝卸麻煩的缺點，對工裝的要求較多，工作前期準備時間較長等缺點。
[0005]爬行機器人裝配系統(tǒng)，是一種多足并聯移動式爬行機構，配有專用的末端執(zhí)行器實現自動化制孔。目前國外與國內的相關系統(tǒng)均以八足交替為代表，如南京航空航天大學申請的中國發(fā)明專利CN201310030879.X所公開的能在工件表面行走和調姿的自主移動機構，不論國內和國外的飛機裝配用八足爬行機器人只能實行單一環(huán)向爬行，爬行完一圈之后，只能將機器人吊起人為地進行側向移動，不具有二維移動。尤其在收縮筒段件等雙曲率蒙皮上應用時，僅有的單一環(huán)向爬行能力，會使機器人運動軌跡發(fā)生傾斜而無法滿足實際應用需求。其系統(tǒng)至少要用到12個電機，結構復雜，集成度太高，重量控制難，12軸及以上的控制系統(tǒng)復雜，制孔時八足并聯聯動對于控制系統(tǒng)要求很高，不可避免帶來了成本較高等缺點。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對現有的多足并聯移動式爬行機構只能實現單向移動且所需驅動電機多，導致加工效率低，換行加工不便和重量大、控制復雜等一系列問題，設計一種較輕型，控制簡單，成低本的雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔機構。
[0007]本發(fā)明的技術方案是:
一種雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔裝置，它包括外框1、終端執(zhí)行機構固定架2和末端執(zhí)行器6，其特征是所述的外框I的四角分別連接有一個能升降的外升降腿3 ;所述的終端執(zhí)行機構固定架2的兩側分別與外框I內側的安裝在X向導軌1-3上的X向滑塊1-7相連的同時，終端執(zhí)行機構固定架2的一側還與懸置于外框I上的外框連接板1-4相連，夕卜框連接板1-4上安裝有X向絲杠螺母，X向絲杠1-2旋裝在所述的X向絲杠螺母中并與安裝在外框I上的X向驅動電機1-5相連；所述的終端執(zhí)行機構固定架2上安裝有Y向電機
2-4，Y向電機2-4與Y向絲杠2-3相連，Y向絲杠螺母安裝在懸置于終端執(zhí)行機構固定架2上的末端執(zhí)行器連接板2-7上，末端執(zhí)行器安裝板6-1與末端執(zhí)行器連接板2-7相連的同時與安裝在終端執(zhí)行機構固定架2上的Y向滑塊2-8相連，Y向滑塊安裝在Y向導軌2-2上，所述的末端執(zhí)行器6固定在末端執(zhí)行器安裝板6-1上；所述的末端執(zhí)行器6固定不動，X向驅動電機1-5驅動X向絲杠1-2運動，由于X向絲框螺母固定不動，因此迫使外框I上的X向導軌作相對于X向滑塊的移動從而實現外框的X向移動，所述的末端執(zhí)行器6固定不動，Y向驅動電機2-5驅動Y向絲杠2-3運動，由于Y向絲杠螺母不動，從而迫使終端執(zhí)行機構固定架2的Y向導軌2-2作相對于Y向滑塊2-8的移動從而通過終端執(zhí)行機構固定架2帶動整個外框I實現Y向的移動；外框I固定狀態(tài)下，X向驅動電機工作帶動X向絲杠螺母作X向移動從而帶動末端執(zhí)行器沿X方向移動，外框I固定狀態(tài)下，Y向電機工作帶動Y向絲杠轉動從而迫使Y向絲杠螺母帶動末端執(zhí)行器作Y向的移動。
[0008]本發(fā)明的每個外升降腿3的上端安裝有升降電機3-7，它的下端部連接有雙偏心位移被動補償結構5，雙偏心位移被動補償結構5的下端連接有真空吸盤，所述的雙偏心位移被動補償結構5通過支撐滑移珠5-12實現雙偏心機構的偏心力矩支撐實現滑移。
[0009]本發(fā)明所述的末端執(zhí)行器6主要由末端執(zhí)行器安裝板6-1、電機安裝板6-2、驅動電機6-3、電主軸6-4、內升降腿4、蒙皮壓緊氣缸6-5和蒙皮壓緊板6_6組成,驅動電機6_3安裝在與末端執(zhí)行器安裝板6-1相連的電機安裝板6-2上，電主軸6-4與電機輸出軸相連，四個內升降腿4均布安裝在與末端執(zhí)行器安裝板6-1相連的安裝底板6-7 ;內升降腿4由氣缸4-1、支撐腿4-3和吸盤4-2相連而成；蒙皮壓緊氣缸6-5也安裝在安裝底板6_7上，蒙皮壓緊板6-6與蒙皮壓緊氣缸6-5的輸出軸相連。
[0010]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明可在現有的裝配型架上使用，不需要特別的工裝，對型架的影響和改動最小化；結構重量輕；驅動電機少,控制容易；成本低等優(yōu)點。
[0011]本發(fā)明的雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔機構能過實現在飛機表面不限行程的二維移動和完成法向調姿功能，其在能完成法向調姿的同時具備二維移動是其他類似機構不具備的功能，
本發(fā)明僅有6個電機控制配合氣缸實現二維移動和調姿動作，運動控制軸數量同比下降50%以上，它不僅大大簡化了控制難度，而且降低了整體機構重量和成本；實現了真正的輕型化。由于本發(fā)明在調姿時屬于4桿并聯機構，冗余桿數較少，具有位置正解求解容易，易于標定的特點。[0012]本發(fā)明的聞定位精度、聞穩(wěn)定性、聞負載能力可以滿足飛機制孔質量、制孔精度以及制孔效率的要求。本機構中的雙偏心位移補償機構具有結構緊湊、位移補償能力大，剛性好，成本低等優(yōu)點，并可根據需求通過補償機構上的鎖緊氣缸作用轉化為固定零件。此外，本機構具有機構位置反解求解簡單，便于控制的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的移動調姿機構等效原理圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的結構示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的外框的裝配圖。
[0016]圖4是本發(fā)明的終端執(zhí)行機構固定架的配圖。
[0017]圖5是本發(fā)明的外升降腿的裝配圖。
[0018]圖6是本發(fā)明的外升降腿的爆炸圖。
[0019]圖7是本發(fā)明的位移補償機構裝配圖。
[0020]圖8是本發(fā)明的位移補償機構爆炸圖。
[0021]圖9是本發(fā)明的內升降腿裝配圖。
[0022]圖10是本發(fā)明的末端執(zhí)行器裝配圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0024]如圖1-10所示。
[0025]一種雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔裝置，它包括外框1、終端執(zhí)行機構固定架2和末端執(zhí)行器6，所述的外框I的四角分別連接有一個由電機驅動升降的外升降腿3，末端執(zhí)行器6連接有四個由氣缸驅動升降的內升降腿4，如圖2所示；所述的終端執(zhí)行機構固定架2的兩側分別與外框I內側的安裝在X向導軌1-3上的X向滑塊1-7相連的同時，終端執(zhí)行機構固定架2的一側還與懸置于外框I上的外框連接板1-4相連，外框連接板1-4上安裝有X向絲杠螺母，X向絲杠1-2旋裝在所述的X向絲杠螺母中并與安裝在外框I上的X向驅動電機1-5相連，如圖3所示，外框I為一矩形整體框架，結構包括外框架(1-1)、絲杠傳動結構1-2、行走導軌1-3、外框連接板1-4、X向驅動電機1-5和電機安裝座1-6。所述的終端執(zhí)行機構固定架2上安裝有Y向電機2-4，Y向電機2-4與Y向絲杠2-3相連，Y向絲杠螺母安裝在懸置于終端執(zhí)行機構固定架2上的末端執(zhí)行器連接板2-7上，末端執(zhí)行器安裝板6-1與末端執(zhí)行器連接板2-7相連的同時與安裝在終端執(zhí)行機構固定架2上的Y向滑塊2-8相連，Y向滑塊安裝在Y向導軌2-2上，所述的末端執(zhí)行器6固定在末端執(zhí)行器安裝板6-1上，如圖4所示，終端執(zhí)行機構固定架2包括內框架2-1、Y向導軌2-2、Y向絲杠2_3、Y向電機2-4、Υ向電機安裝座2-5、Υ向電機聯軸器2-6、末端執(zhí)行器連接板2_7。內框架2_1通過外框連接板1-4與外框架行走導軌1-3相連，由X向驅動電機1-5驅動，實現內框)的X向移動,從而實現末端執(zhí)行器6的X向移動。Y向電機2-4通過Y向電機聯軸器2-6與Y向絲杠2-3連接絲桿2-3上的絲桿螺母與末端執(zhí)行器連接板2-7相連，實現末端執(zhí)行器6Υ向的移動。所述的末端執(zhí)行器6固定不動,X向驅動電機1-5驅動X向絲杠1-2運動，由于X向絲框螺母固定不動，因此迫使外框I上的X向導軌作相對于X向滑塊的移動從而實現外框的X向移動，所述的末端執(zhí)行器6固定不動，Y向驅動電機2-5驅動Y向絲杠2-3運動，由于Y向絲杠螺母不動，從而迫使終端執(zhí)行機構固定架2的Y向導軌2-2作相對于Y向滑塊2-8的移動從而通過終端執(zhí)行機構固定架2帶動整個外框I實現Y向的移動；外框I固定狀態(tài)下，X向驅動電機工作帶動X向絲杠螺母作X向移動從而帶動末端執(zhí)行器沿X方向移動，外框I固定狀態(tài)下，Y向電機工作帶動Y向絲杠轉動從而迫使Y向絲杠螺母帶動末端執(zhí)行器作Y向的移動。
[0026]本發(fā)明的每個外升降腿3如圖5、6所示，外升降腿3由連接框3_1、腿框架3_2、絲杠結構3-3、導軌結構3-4、電機安裝座3-5、聯軸器3-6、電機3_7組成。通過電機與絲杠傳動結構實現腿的伸降，4條外框升降腿通過腿上連接框分別固連在外框架上。外升降腿3的上端安裝升降電機3-7，下端部連接有雙偏心位移被動補償結構5，雙偏心位移被動補償結構5的下端連接有真空吸盤，所述的雙偏心位移被動補償結構5通過支撐滑移珠5-12實現雙偏心機構的偏心力矩支撐實現滑移。
[0027]本發(fā)明所述的末端執(zhí)行器6如圖10所示，它主要由末端執(zhí)行器安裝板6-1、電機安裝板6-2、驅動電機6-3、電主軸6-4、內升降腿4、蒙皮壓緊氣缸6-5和蒙皮壓緊板6-6組成，驅動電機6-3安裝在與末端執(zhí)行器安裝板6-1相連的電機安裝板6-2上，電主軸6-4與電機輸出軸相連，四個內升降腿4均布安裝在與末端執(zhí)行器安裝板6-1相連的安裝底板6-7 ；內升降腿4如圖9所示，它主要由氣缸4-1、支撐腿4-3、吸盤4-2相連而成。內框升降退固定于末端執(zhí)行器6上，腿的升降通過具有鎖緊功能的雙作用氣缸4-1實現，末端執(zhí)行器6的四個氣缸4-1的鎖緊力足夠承載本機器人；蒙皮壓緊氣缸6-5也安裝在安裝底板6-7上，蒙皮壓緊板6-6與蒙皮壓緊氣缸6-5的輸出軸相連。
[0028]本發(fā)明的雙偏心位移被動補償機構5如圖7、8所示，它主要由連接板5-1、軸承蓋/5-2、軸承座5-3、深溝球軸承/5-4、軸/5-5、軸承蓋JJ5-6、深溝球軸承JJ5-7、鎖緊螺母/5-8、軸JJ5-9、真空吸盤5-10、定位板5-11、支撐滑移珠5_12、錐形定位銷5_13、鎖緊氣缸
5-14、安裝法蘭5-15。雙偏心位移補償機構通過連接板5-1與升降腿下端固定相連，可補償機構法向調姿時所需X向和Y向的位移偏移量。終端執(zhí)行機構固定架2通過外框的行走導軌1-3上的滑塊與外框相連，同時外框上絲杠結構1-2通過內外框連接板1-4可帶動內外框相對運動。4條外升降腿3通過腿上連接框固連外框架1-1四周，4條內升降腿4直接固連在末端執(zhí)行器6四周。雙偏心位移補償機構5通過連接板5-1與升降腿下端相連，其可提供機構法向定位調姿時所需X向和Y向的位移補償量。整個機構通過四個外升降腿3吸附于飛機工件表面，通過雙偏心位移被動補償機構5，可完成機構定位調姿功能。通過外升降腿3和內升降腿4的交替吸附支撐，實現機器人的X向，Y向移動。
[0029]雙偏心位移補償機構5是應用偏心補償原理的機構，主要結構可參考中國專利201310030879.X。在本實施例中，應用兩個深溝球軸承，結合吸盤球鉸具備的繞Z軸轉動的自由度，提供雙偏心機構在XY平面內所需的三個繞Z軸轉動的自由度，同時通過空間結構設計，提高了補償機構的剛性、穩(wěn)定性并縮小了補償機構的尺寸，可實現X向和Y向的補償，補償量根據偏心距確定?？赏ㄟ^補償機構5上的鎖緊氣缸5-14，將錐形定位銷5-13插入軸承座5-3和定位板5-11，此時，軸承座5-3和定位板5-11固連為一個整體，雙偏心位移補償機構失去位移補償功能，轉化為一固定零件。相較于中國發(fā)明專利CN201310030879.X中的雙偏心機構，本機構中通過支撐滑移珠5-12實現雙偏心機構的偏心力矩支撐滑移作用。[0030]本發(fā)明的工作過程為:
雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔機構在飛機表面二維行走:
此時雙偏心位移補償機構5自鎖,可以通過補償機構上的鎖緊氣缸5-14,插入定位板
5-11上的定位孔，此時，雙偏心位移補償機構5固連為一個整體，失去位移補償功能，轉化為一固定零件。采用內外框交替前進方式實現X向、Y向的二維任意移動，首先，以終端執(zhí)行機構固定架2內的末端執(zhí)行器6及其相連的4條內升降腿4為支撐，松開與外框I相連的四條外升降腿3的真空吸盤5-10，腿上電機3-7驅動絲桿結構3-3帶動外升降腿3作Z向上升；X向驅動電機1-5驅動絲桿1-2，帶動外框相對末端執(zhí)行器6向前運動，實現沿X向的移動；終端執(zhí)行機構固定架2上電機2-4驅動絲桿2-3，帶動框體相對末端執(zhí)行器6向側向移動，實現Y向的移動。四條外升降腿3的腿上電機3-7驅動絲桿結構3-3帶動腿Z向下降，外框升降腿3上真空吸盤5-10吸緊；以終端執(zhí)行機構固定架2及其相連的4條外升降腿3為支撐，松開與末端執(zhí)行器6相連的四條內升降腿4的足端真空吸盤4-2，內腿氣缸
4-1縮回作用，帶動內腿4Z向上升；外框上電機1-5驅動絲桿結構1-2，末端執(zhí)行器6相對外框向前運動，實現X向的移動；終端執(zhí)行機構固定架2上電機2-4驅動絲桿2-3，末端執(zhí)行器相對外框I的側向移動，實現Y向的移動。四條內升降腿4的氣缸4-1帶動腿Z向下降，內升降腿4足端真空吸盤4-2吸緊，蒙皮壓緊氣缸6-5動作，蒙皮壓緊板6-6壓住蒙皮即可開始進行鉆鉚作用。
[0031]自主移動并聯機構進入工作位置，進行法向調姿。
[0032]到達目標位置后，通過四條外升降腿3底真空吸盤5-10吸緊工件表面，雙偏心位移補償機構上鎖緊氣缸5-14拔出，通過四條外升降腿的腿上電機3-7驅動絲杠結構，實現每條外升降腿Z向高度變化，從而與外升降腿相連的外框的俯仰角度也會發(fā)生變化，進而帶動末端執(zhí)行器主軸所對的方向發(fā)生變化，一直調節(jié)到末端執(zhí)行器的主軸與指定位置的法向重合。通過外框X向驅動電機1-5驅動X向絲杠1-2，Y向電機2-4驅動Y向絲杠2_3，實現末端執(zhí)行器X、Y方向的調整。
[0033]在傾斜或俯仰運動中，例如繞Y軸的向后仰起的過程中，若假設后端兩條外升降腿固定，前端的兩條升降腿就會伸長，在伸長的過程中，所有升降腿末端的真空吸盤卻一直吸附在工件表面上，這種情況下必然要求前端的升降腿相對于安裝在其下端的真空吸盤在X方向上有微動位移才能保證這種仰起運動可以實現。同理，若框體繞X軸左右傾斜則必然要求升降腿相對于安裝在其下端的真空吸盤在Y方向上有微動位移才能保證傾斜運動可以實現。此時，本發(fā)明中的雙偏心位移補償機構實現了自主移動并聯機構進行法向調姿時所需XY方向的位移補償。
[0034]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
[0035]本發(fā)明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
【權利要求】
1.一種雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔裝置，它包括外框(I)、終端執(zhí)行機構固定架(2)和末端執(zhí)行器(6)，其特征是所述的外框(I)的四角分別連接有一個能升降的外升降腿(3 );所述的終端執(zhí)行機構固定架(2 )的兩側分別與外框(I)內側的安裝在X向導軌(1-3 )上的X向滑塊(1-7)相連的同時，終端執(zhí)行機構固定架(2)的一側還與懸置于外框(I)上的外框連接板(1-4)相連，外框連接板(1-4)上安裝有X向絲杠螺母，X向絲杠(1-2)旋裝在所述的X向絲杠螺母中并與安裝在外框(I)上的X向驅動電機(1-5)相連；所述的終端執(zhí)行機構固定架(2)上安裝有Y向電機(2-4)，Y向電機(2-4)與Y向絲杠(2-3)相連，Y向絲杠螺母安裝在懸置于終端執(zhí)行機構固定架(2)上的末端執(zhí)行器連接板(2-7)上，末端執(zhí)行器安裝板(6-1)與末端執(zhí)行器連接板(2-7)相連的同時與安裝在終端執(zhí)行機構固定架(2)上的Y向滑塊(2-8)相連，Y向滑塊安裝在Y向導軌(2-2)上，所述的末端執(zhí)行器(6)固定在末端執(zhí)行器安裝板(6-1)上。
2.根據權利要求1所述的雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔裝置，其特征是每個外升降腿(3)的上端安裝有升降電機(3-7)，它的下端部連接有雙偏心位移被動補償結構(5)，雙偏心位移被動補償結構(5)的下端連接有真空吸盤，所述的雙偏心位移被動補償結構(5)通過支撐滑移珠(5-12)實現雙偏心機構的偏心力矩支撐實現滑移。
3.根據權利要求1所述的雙向爬行輕型移動式并聯法向制孔裝置，其特征是所述的末端執(zhí)行器(6)主要由末端執(zhí)行器安裝板(6-1)、電機安裝板(6-2)、驅動電機(6-3)、電主軸(6-4)、內升降腿(4)、蒙皮壓緊氣缸(6-5)和蒙皮壓緊板(6-6)組成，驅動電機(6-3)安裝在與末端執(zhí)行器安裝板(6-1)相連的電機安裝板(6-2)上，電主軸(6-4)與電機輸出軸相連，四個內升降腿(4)均布安裝在與末端執(zhí)行器安裝板(6-1)相連的安裝底板(6-7);內升降腿(4)由氣缸(4-1)、支撐腿(4-3)和吸盤(4-2)相連而成；蒙皮壓緊氣缸(6-5)也安裝在安裝底板(6-7)上,蒙皮壓緊板(6-6)與蒙皮壓緊氣缸(6-5)的輸出軸相連。
【文檔編號】B23Q1/25GK103962847SQ201410137727
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權日:2014年4月8日
【發(fā)明者】王珉, 陳文亮, 王謝苗, 張得禮, 鮑益東 申請人:南京航空航天大學